浅谈汽车电子自编程Bootloader的几种实现

　　 论文 关键词：汽车 电子 　nec电子　bootloader　自编程

　　论文摘要： 自编程技术在汽车电子领域软件开发中发挥着非常重要的作用，它可以实现ecu的在线诊断，在线标定，代码升级等功能，解决了传统方案依赖于诊断软件，标定软件，专用烧写器的缺点。建立了基于nec电子的32位车身专用微控制器的软件平台，编写了can协议驱动，通讯协议驱动，flash操作驱动代码，分析了bootloader区和应用程序区的中断向量处理机制，列举了常见的几种bootloader设计方法，结合实际平台进行了一系列试验，提出了一些可扩展型、创新型的方案并 总结 了其优缺点，这对于自主开发bootloader是非常有实际意义的。

　　引 言

　　随着国家对汽车产业的大力扶持，国内汽车电子领域自主研发实力不断增强，越来越多的汽车将由传统的机械化实现电子化。首先实现电子化的是仪表领域，目前市场上面的电子化仪表几乎涵盖了所有低端、中段、高端领域，价格从一百元到几千元的都有。其次，车载娱乐也得到了很大的 发展 ，车载音像，车载dvd也都得到了普及。车身领域也得到了一定的发展，车门，车窗，车锁rke/pke，雨括，bcm，eps，导航等，国内也有一些 企业 投入了研发，很多产品已经上了整车。安全领域，如airbag；动力总成领域，例如发动机控制，国内只有很少一些公司研发成功，大部分技术还是被国外公司垄断。2009年， 中国 汽车产量已经突破一千万辆，取代美国成为全球第一的汽车生产大国，因此，加强国内汽车电子自主研发是一件非常紧迫的事情。制约我国汽车电子自主研发的因素很多，其中最主要的一点是汽车电子本身是一个技术含量很高的高端行业，对产品稳定性、安全性要求很高，而我国起步比较晚，技术势必被国外垄断，而打破这个技术壁垒的唯一途径就是自主研发。

　　bootloader是应用程序运行前跑的一段程序，它可以烧写在flash rom里面，也可以通过上位机下载到ram运行，成熟的bootloader可以实现ecu的在线诊断，在线标定，代码升级等功能，而客户不需要购买专门的诊断软件，标定软件，专用烧写器，不仅节省了研发成本，而且使用方便，实现功能多。nec电子是全球知名的汽车电子芯片供应商，可以为用户提供成熟的解决方案跟技术支持，选用nec电子的32位车身专用芯片v850/fx3完全可以实现车身ecu的bootloader功能和应用程序的开发。

　　1 系统平台

　　本系统采用nec电子的32位车身专用芯片v850/fx3系列，v850是nec电子的32位微处理器核，5级流水线控制，内部32个32位寄存器，乘法/除法指令，数据空间支持最大4gb线性寻址能力，代码空间支持64m线性寻址能力，内部1mb的code flash,60kb的ram空间，32kb的data flash用作eeprom模拟。

　　2 常见bootloader设计方案

　　目前常用的bootloader方案有一下四种：

　　2.1 方案一

　　如下图：

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　　图1 方案一存储空间图

　　fig.1 memory address space of solution one

　　原理如下：

　　boot 工程：

　　address: 0x0000~0x3fff,interrupt vector和自编程库函数，can, 上位机通讯协议；

　　application 工程：

　　address: 0x0000~0x3fff, interrupt vector和自编程库函数，can, 上位机；应用程序函数；

　　dummy vector:用于中转中断处理函数。因为如果有中断产生，程序指针只会跳到boot vector,应用程序中断处理函数无法响应中断。dummy vector处理流程如下：

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　　　　　　　　　　　　　　图2 方案一中断处理机制

　　fig.2 the interrupt handle mechanism of solution one

　　缺点:

　　1. bootloader烧写在rom里面，每次启动的时候需要执行，进行相应判断不是由应用程序开始。

　　2. 每次进入中断程序时需要进行跳转,所以延长进入中断时间，且boot里面需要声明所有中断向量，boot里面的中断处理函数中要调用application中的中断处理函数比较复杂，因为如果application代码更新后，应用程序函数入口地址是变化的。

　　3. dummy interrupt vector 需要在更新bootloader时就写入,并且在更新应用程序的同时也更新这部分区域。

　　优点:

　　1. 程序设计相对容易。

　　2.2 方案二

　　如下图：

　　 　　 shape \* mergeformat

　　　　　　　　　　　　图3 方案二存储空间图

　　fig.3 memory address space of solution two

　　缺点:

　　1. 更新程序之前需要进行bootswap功能切换应用程序和bootloader程序,更新完毕后再次需要进行切换.

　　2. 应用程序设计时比较复杂,需要加入bootloader代码，且需要空出一段空白区域用于与bootloader区域进行bootswap交换.

　　优点:

　　1. ecu从应用程序开始跑，中断程序处理简单。bootswap的目的就是为了处理中断机制。

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　　　　　　　　　　　　图4 方案二存储空间图

　　fig.4 memory address space of solution two

　　2.3 方案三

　　如下图：

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　　　　　　　　　　　　　　图5 方案三存储空间图

　　fig.5 memory address space of solution three

　　缺点:

　　1.芯片空间的使用效率比较低,需要有一半的rom空间用做交换区.

　　优点:

　　1. bootloader和应用程序整合在一个工程文件中,不需要专门的boot区，程序设计简单，从应用程序开始跑。

　　2. 由于旧程序仍然存在,应用更加安全.

　　2.4 方案四

　　如下图：

　　　　　　　　　 shape \* mergeformat

　　fig.6 memory address space of solution four

　　首先在ram某段区间强行定义为rom属性，否则无法执行代码，因为ram默认存放变量。然后将bootloader工程代码拷入到指定ram区间，指针跳转到ram开始执行与上位机建立通讯。调用底层flash操作库函数更新应用程序。

　　缺点：程序设计比较复杂，需要跳转到ram运行。在ram中更新flash的时候需要开辟rom空间作为启动备份区，否则发生断电或者意外，程序将无法恢复。

　　优点：节省空间。程序从应用程序启动。

　　3 结论

　　中断矢量的拷贝是bootloader的难点，以上的一些方法无论是方案一的中转函数还是方案二的boot区交换，都是对中断矢量的拷贝，使得应用程序中断处理函数能够响应中断。对四种bootloader方案进行了比较和优缺点分析，具体应用应该根据用户的实际情况和客户的要求来设计。

　　实践中，要综合考虑到上位机的成本，rom空间，启动时间，中断响应时间等因素。

　　4 结束语

　　汽车 电子 已成为当前it产业的一大亮点，呈现出巨大的市场需求。bootloader的设计作为软件设计的一部分，有着非常重要的功能，可以实现ecu的在线诊断，在线标定，代码升级等功能。根据客户的实际需求，开发出成熟的软件是我们的目标。

　　[ 参考 文献 ]

　　[1] nec electronics. v850es/fx3 user manual,2006

　　[2] nec electronics. self-pragramming note,2007

　　[3] nec electronics. data flash convert user manual,2007

　　[4] vector. flash kernel programming on a hc12 micro controller version 0.01,2009

　　[5] vector. can ape user manual,2009

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